一种热反射水泥基材料的制备方法

1.本发明涉及热反射材料制法，具体为一种热反射水泥基材料的制备方法。


背景技术：

2.夏季太阳光强烈照射下，热辐射能量会在建筑物表面逐渐积累，导致外表温度不断升高，并将热量持续不断的传递至室内，影响室内居住环境。在中国炎热地区，夏季建筑物外墙温度可达40～50℃，金属表面温度可高达70℃-80℃。由于建筑物自身隔热效果较差，建筑物内温度较高，为营造舒适的生活环境，大量使用降温设备，如空调，电风扇，冷风机等，消耗大量电能。据统计，中国建筑物能耗大约占总能源消耗的25％，大约有l5％的电力消耗用于建筑物降温和取暖。因此，如何减少建筑在夏季的炎热，降低空调的制冷能耗，从而达到节能减排的目的，已备受关注。
3.常见降低室内温度的措施一般是采用隔热涂料，隔热涂料是一种新型的功能性涂料，广泛应用于建筑外墙、船舶甲板、汽车外壳、油罐外壁和军事航天等领域。涂料具有比较好的隔热效果，但同时存在干燥周期较长、施工受气候和季节的影响较大等问题。实际应用中，浅色或白色涂料漆膜耐沾污性差；户外使用时，随着漆膜表面变脏、褪色、老化，热反射性能将大大下降，同时装饰效果较差。此外，其还存在抗冲击能力弱、容易破损老化、干燥收缩大、热导率值波动大等缺陷。同时，由于内部结构疏松，涂层吸水率较高，吸水后温隔热效果明显变差。


技术实现要素：

4.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种绿色环保、无毒无害、耐久性好的热反射水泥基材料的制备方法。
5.技术方案：本发明所述的一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
6.(a)将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠混合，过滤，烘干，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
7.(b)将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，搅拌并向其中滴加钛源，水浴反应后过滤，烘干，得到粉末；
8.(c)将粉末在500～900℃煅烧，粉磨过筛，得到负载型热反射功能组分，负载型热反射功能组分是包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
9.(d)将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，放置于模具中成型，在标准条件下养护后拆模，得到热反射水泥基材料。
10.进一步地，步骤(a)中，氢氧化钠溶液的质量百分数为3～5wt％，氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠的质量比为10～12.5:1。烘干的温度为50～60℃，烘干时间为24～36h。
11.进一步地，步骤(b)中，钛源为硫酸钛溶液、钛酸四丁酯溶液、四氯化钛溶液中的任意一种，优选为硫酸钛溶液。一是因为硫酸钛相比较其他钛源来说无毒无害，安全易操作；二是用硫酸钛合成的二氧化钛反射率较高，杂质较少；三是对于水泥基材料来说，加入无机
钛源对其效果更好，不会影响其性能。钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为4～12:1:10，钛源的质量百分数为8～12wt％。水浴反应的温度为60～80℃，反应时间为6～8h。
12.进一步地，步骤(b)中，搅拌使用磁力加热搅拌器，转速为400r/min。
13.进一步地，步骤(c)中，煅烧的时间为2～3h，过筛为过180～200目筛。
14.进一步地，步骤(d)中，负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:5～10，水灰比为0.3～0.5。养护时间为1～2天。
15.进一步地，热反射水泥基材料的太阳光反射比为41.2％～62.3％。
16.制备原理：根据空心玻璃微珠质轻的特性，在热反射水泥基材料制备过程中利用振动台/振捣棒/振捣器振动能够将负载型热反射功能组分悬浮于水泥基材料表面。当外界太阳光照射在热反射水泥基材料表面，部分光束会在水泥基材料表面发生反射，剩余部分将进入水泥基材料内部，在热反射无机中空粒子的作用下，部分光束会被散射，光束方向发生改变，减少水泥基材料对太阳光的吸收。
17.有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
18.1、通过非均相沉淀法在空心玻璃微珠上包裹二氧化钛粉末，提高二氧化钛的比表面积，避免二氧化钛直接添加到水泥基材料中发生团聚和遮盖，从而提高了反射和散射能力；
19.2、制备工艺绿色环保无污染，使用的材料无毒无害；
20.3、使用的空心玻璃微珠本身因导热系数较低的特性通常作为隔热材料，能够减少热传导作用，阻止热量的传递；
21.5、通过将空心玻璃微珠负载的热反射功能组分掺入水泥基材料中，根据载体空心玻璃微珠质轻的特性通过振动将其汇聚在特定区域，即上浮于水泥基材料表面，能够有效避免热反射功能组分的浪费；
22.6、内掺方法与水泥基材料表面涂敷涂料相比，操作简便、一次完成；
23.7、制得的热反射水泥基材料，具有良好的热反射性能，并兼具水泥基材料本身的结构性能和耐久性能，实现了结构-功能的一体化。
附图说明
24.图1是本发明空心玻璃微珠的sem图；
25.图2是本发明负载型热反射组分的sem图；
26.图3是本发明负载型热反射组分的eds图；
27.图4是本发明的水泥基材料300～2500nm波长范围内的反射率曲线；
28.图5是本发明的水泥基材料的抗折强度图；
29.图6是本发明的水泥基材料的抗压强度图；
30.图7是本发明的在空心玻璃微珠上负载二氧化钛的sem图，其中，a煅烧温度为1000℃，b煅烧温为500℃度；
31.图8是对比例3制备的负载型热反射组分的sem图；
32.图9是对比例3制备的负载型热反射组分的eds图。
具体实施方式
33.以下各实施例中，空心玻璃微珠的直径约为50-80μm，如图1所示。经过步骤c煅烧后，包裹在空心玻璃微珠表面的二氧化钛的晶型均包括金红石型、锐钛矿。
34.实施例1
35.一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
36.a、首先配制质量分数为4wt％的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠按质量比为12.5:1混合，过滤，在60℃烘干24h，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
37.b、将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，放入温度设为80℃的磁力加热搅拌器中搅拌，转速为400r/min，向其中滴加质量百分数为10wt％的钛源硫酸钛溶液，钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为8：1：10，水浴反应6h后过滤，烘干，得到粉末；
38.c、将粉末置于500℃的马弗炉中煅烧2h，粉磨过200目筛，得到负载型热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
39.d、以替代部分水泥的方式掺加负载型热反射功能组分，将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:10，水灰比为0.35，放置于模具中成型，在标准条件下养护1天后拆模，得到热反射水泥基材料，记为k10。
40.如图2，负载型热反射功能组分用场发式扫描电子显微镜(sem)观察样品的微观结构和形貌，可以发现空心玻璃微珠表面包裹一层二氧化钛。
41.如图3，能谱仪面扫描结果显示了负载型的热反射功能组分表面的al、si、ti元素的质量百分数分别为41.62wt％，35.31wt％，23.07wt％，原子百分数分别为47.01％，38.31％，14.68％。
42.将本实施例制备的热反射水泥基材料用砂纸打磨，使用紫外可见近红外分光光度计测试在波长300nm～2500nm范围的反射率，图4。并参考gb/t 31389-2015建筑外墙及屋面用热反射材料技术条件及评价方法计算出样品的太阳光反射比。对热反射水泥基材料的太阳光反射比进行计算，本实施例制得的热反射水泥基材料太阳光反射比为50.1％，水泥基材料自身太阳光反射比为16.9％。可见，对水泥基材料内掺热反射功能组分，能够显著增加对太阳光的反射，表现出较优的热反射性能。
43.实施例2
44.一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
45.a、首先配制质量分数为4wt％的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠按质量比为12.5:1混合，过滤，在60℃烘干36h，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
46.b、将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，放入温度设为60℃的磁力加热搅拌器中搅拌，转速为400r/min，向其中滴加质量百分数为10wt％的钛源硫酸钛溶液，钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为4：1：10，水浴反应6h后过滤，烘干，得到粉末；
47.c、将粉末置于500℃的马弗炉中煅烧2h，粉磨过200目筛，得到负载型热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
48.d、以替代部分水泥的方式掺加负载型热反射功能组分，将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:10，水灰比为0.35，放置于模具中成型，在标准条件下养护1天后拆模，得到热反射水泥基材料。
49.采用实施例1的测试方法测试本实施例制得的热反射水泥基材料的光反射性能，结果显示，其太阳光反射比与实施例1相近，为47.9％。水浴温度为60℃时，钛粒子水解反应没有80℃的水解反应转化率高，即水浴温度为60℃时，合成的二氧化钛较少，反射比较低。
50.实施例3
51.一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
52.a、首先配制质量分数为4wt％的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠按质量比为12.5:1混合，过滤，在50℃烘干24h，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
53.b、将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，放入温度设为80℃的磁力加热搅拌器中搅拌，转速为400r/min，向其中滴加质量百分数为10wt％的钛源硫酸钛溶液，钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为6：1：10，水浴反应6h后过滤，烘干，得到粉末；
54.c、将粉末置于900℃的马弗炉中煅烧2h，粉磨过200目筛，得到负载型热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
55.d、以替代部分水泥的方式掺加负载型热反射功能组分，将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:10，水灰比为0.35，放置于模具中成型，在标准条件下养护1天后拆模，得到热反射水泥基材料。
56.采用实施例1的测试方法测试本实施例制得的热反射水泥基材料的光反射性能，结果显示，其太阳光反射比与实施例1相近，为45％。
57.实施例4
58.一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
59.a、首先配制质量分数为4wt％的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠按质量比为12.5:1混合，过滤，在50℃烘干28h，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
60.b、将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，放入温度设为80℃的磁力加热搅拌器中搅拌，转速为400r/min，向其中滴加质量百分数为10wt％的钛源硫酸钛溶液，钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为12：1：10，水浴反应6h后过滤，烘干，得到粉末；
61.c、将粉末置于500℃的马弗炉中煅烧2h，粉磨过200目筛，得到负载型热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
62.d、以替代部分水泥的方式掺加负载型热反射功能组分，将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:5，水灰比为0.35，放置于模具中成型，在标准条件下养护1天后拆模，得到热反射水泥基材料。
63.采用实施例1的测试方法测试本实施例制得的热反射水泥基材料的光反射性能，结果显示，其太阳光反射比为58.4％。这表明：提高热反射材料的掺量，可以明显增强对太阳光的反射。
64.实施例5
65.一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
66.a、首先配制质量分数为4wt％的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠按质量比为11:1混合，过滤，在60℃烘干24h，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
67.b、将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，放入温度设为70℃的磁力加热搅拌器中搅拌，转速为400r/min，向其中滴加质量百分数为10wt％的钛源硫酸钛溶液，钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为8：1：10，水浴反应8h后过滤，烘干，得到粉末；
68.c、将粉末置于700℃的马弗炉中煅烧3h，粉磨过200目筛，得到负载型热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
69.d、以替代部分水泥的方式掺加负载型热反射功能组分，将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:5，水灰比为0.5，放置于模具中成型，在标准条件下养护1天后拆模，得到热反射水泥基材料，记为k20。
70.采用实施例1的测试方法测试本实施例制得的热反射水泥基材料的光反射性能，结果显示，其太阳光反射比为62.3％。这组实施例是对于水泥基材料来说内掺热反射功能组分效果最优的一组。
71.内掺热反射功能组分不仅有利于水泥基材料热反射性能的提高，同时也有利于水泥基材料的力学性能。如图5～6，分别是水泥基材料本身、实施例1制得的内掺10％的热反射材料的水泥基材料、本实施例制得的内掺20％的热反射材料的水泥基材料3d、7d抗折抗压强度。因为tio2纳米颗粒的高比表面积为水泥水化提供成核作用，促进了水泥水化产物的形成，使得水泥石结构更加致密。尤其是在水化的前期比较明显，随着二氧化钛的掺入，抗压强度明显提高。二氧化钛含量较高的情况下，tio2大量团聚使得复合体系产生一定缺陷，从而抗压强度增加幅度减小。总体来说，二氧化钛的加入不仅是能提高热反射性能，同时也有利于强度的提高
72.实施例6
73.一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
74.a、首先配制质量分数为3wt％的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠按质量比为10:1混合，过滤，在50℃烘干24h，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
75.b、将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，放入温度设为70℃的磁力加热搅拌器中搅拌，转速为400r/min，向其中滴加质量百分数为8wt％的钛源钛酸四丁酯溶液，钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为3:5:50，水浴反应8h后过滤，烘干，得到粉末；
76.c、将粉末置于700℃的马弗炉中煅烧3h，粉磨过180目筛，得到负载型热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
77.d、以替代部分水泥的方式掺加负载型热反射功能组分，将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:6，水灰比为0.3，放置于模具中成型，在标准条件下养护2天后拆模，得到热反射水泥基材料。
78.采用实施例1的测试方法测试本实施例制得的热反射水泥基材料的光反射性能，结果显示，其太阳光反射比为41.2％。
79.实施例7
80.一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
81.a、首先配制质量分数为5wt％的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠按质量比为11:1混合，过滤，在60℃烘干36h，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
82.b、将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，放入温度设为75℃的磁力加热搅拌器中搅拌，转速为400r/min，向其中滴加质量百分数为12wt％的钛源四氯化钛溶液，钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为6:5:50，水浴反应7h后过滤，烘干，得到粉末；
83.c、将粉末置于600℃的马弗炉中煅烧2.5h，粉磨过180目筛，得到负载型热反射功
能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
84.d、以替代部分水泥的方式掺加负载型热反射功能组分，将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:8，水灰比为0.4，放置于模具中成型，在标准条件下养护2天后拆模，得到热反射水泥基材料。
85.采用实施例1的测试方法测试本实施例制得的热反射水泥基材料的光反射性能，结果显示，其太阳光反射比为45.6％。
86.实施例8
87.一种热反射水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
88.a、首先配制质量分数为3wt％的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液、空心玻璃微珠按质量比为12:1混合，过滤，在55℃烘干30h，得到经过表面处理的空心玻璃微珠；
89.b、将经过表面处理的空心玻璃微珠与去离子水混合，放入温度设为65℃的磁力加热搅拌器中搅拌，转速为400r/min，向其中滴加质量百分数为11wt％的钛源四氯化钛溶液，钛源、空心玻璃微珠、去离子水的质量比为5:5:50，水浴反应7h后过滤，烘干，得到粉末；
90.c、将粉末置于800℃的马弗炉中煅烧2.5h，粉磨过180目筛，得到负载型热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠；
91.d、以替代部分水泥的方式掺加负载型热反射功能组分，将负载型热反射功能组分、普通硅酸盐水泥、水混合搅拌振动，热反射功能组分、普通硅酸盐水泥的质量比为1:7，水灰比为0.5，放置于模具中成型，在标准条件下养护2天后拆模，得到热反射水泥基材料。
92.采用实施例1的测试方法测试本实施例制得的热反射水泥基材料的光反射性能，结果显示，其太阳光反射比为48.3％。
93.实施例9
94.本对比例其余步骤与实施例5相同，区别仅仅在于：步骤b中，钛源为钛酸四丁酯溶液，所制得的水泥基材料的太阳光反射比为48.9％。
95.实施例10
96.本对比例其余步骤与实施例5相同，区别仅仅在于：步骤b中，钛源为四氯化钛溶液，所制得的水泥基材料的太阳光反射比为50.6％。
97.由实施例5、实施例9、实施例10计算的反射比可知，钛源选择硫酸钛溶液，合成的二氧化钛反射率较高，杂质较少，不会影响水泥基材料的其他性能，并且硫酸钛溶液无毒无害，安全易操作。
98.对比例1
99.本对比例其余步骤与实施例5相同，区别仅仅在于：步骤c中，煅烧温度为400℃，所制得的水泥基材料的太阳光反射比为41.17％，说明其反射和散射能力较差。煅烧温度为400℃时，此时合成的二氧化钛为锐钛矿型，金红石型的二氧化钛很少或者几乎没有，导致反射效果差，所以太阳光反射比数据相较低。
100.对比例2
101.本对比例其余步骤与实施例5相同，区别仅仅在于：步骤c中，煅烧温度为1000℃，所制得的水泥基材料的太阳光反射比为35.17％，说明其反射和散射能力较差。煅烧温度为1000℃时，由于玻璃中石英晶体及莫来石的形成导致球体收缩，核壳会发生一定程度的脱离，致使微珠性能下降，因此煅烧温度不宜太高，如图7所示分别是煅烧温度为1000℃和500
℃在空心玻璃微珠上负载二氧化钛的sem图。由图7(a)、(b)可以看出，煅烧温度也是影响其反射率的一个重要因素之一，煅烧温度太高导致微珠性能下降，空心微珠破碎较严重，这样载体就没起到作用从而反射效果就不显著、太阳光反射比大幅度下降。
102.对比例3
103.一种空心玻璃微珠上包覆二氧化钛粉末的制备方法，包括如下步骤：
104.a、乙醇与钛酸四丁酷、冰醋酸混合，剧烈搅拌15min，配成溶液a，无水乙醇与需要滴加的去离子水混合配成溶液b。实验过程中溶液b以匀速滴加到溶液a进行反应，并不断搅拌，滴完后得到均匀浅黄色透明溶胶，将所得浅黄色溶胶继续搅拌30min后，于室温静置；
105.b、经过一定静置时间后，溶胶需要仍然保持一定流动性，加入空心玻璃微珠，搅拌1h，用200目滤网过滤，放入烘箱内60℃下干燥烘干24h；
106.c、得到包覆了二氧化钛凝胶的玻璃微珠，在马弗炉中锻烧2h，得到负载型热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠。
107.将上述溶胶凝胶方法制备的热反射功能组分，即包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠分别进行sem以及eds图表征。如图8～9，采用对比例3制备的热反射功能组分的包覆效果较差，远不如图2中包覆的二氧化钛粉末多。在包覆二氧化钛粉末的空心玻璃微珠上采用面扫的方法测得的钛含量也较低。煅烧的样品是淡黄色粉末，不是白色粉末，所以反射率较低。